专利名称：一种矩形照射光斑的透镜设计方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种被照面为矩形光斑的透镜设计方法。
背景技术：
LED用于工程照明时，往往根据不同的使用场合或客户要求，设计不同的透镜来进行配光。在一些使用场合，比如地下车库，广场以及道路照明中，通常不希望使用太多的灯具。如果采用被照面为圆形、椭圆形等光斑形状时，在不增加灯具数量的情况下，在相邻灯具的衔接处，势必会出现暗区和照射盲点，从而对使用造成很大的不便，也很难达到客户的使用要求。因此，在很多使用场合，适宜采用矩形照射光斑。而如何实现照射光斑呈矩形，则是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的技术问题，提供一种矩形照射光斑的透镜设计方法，该方法简单、直观，且对光源的安装位置不做限制。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下
一种矩形照射光斑的透镜设计方法，光源光轴垂直于光斑所在平面，设计步骤如
下
a)、将矩形光斑沿长边或宽边等分成多个长条小矩形，分别取每一小矩形的同一方向的一长边，并分别以光源和所取的每一长边的平面为入射面，在每一入射面上，将光源位于光轴的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等；
b)、将所述每一入射面上的小矩形的长边划分成多个小段，将所述小段与所述小角一一对应，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离平方成反比，与照度成正比；以所述小段中边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，即对应了所述的一个小角，根据透镜第一面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为透镜第一面上的起始特征点，在该点处，平行于光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的比例，将所述偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过透镜第一面后的折射线，通过折射定律以及所述的对应小角，求出与起始特征点相邻的第二特征点，该第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点，按照上述相同的步骤，依次求出各个被照点所对应的第一面上的各特征点的位置；在经过所述第一面上的起始特征点后的折射线上，根据透镜厚度要求取一点作为透镜第二面上的起始特征点，采用与求得第一面上的特征点类似的方法，求得第二面上的各特征点的位置；
C)、将上述依次求得的所有入射面上的第一面的各特征点和第二面的各特征点分别连成两个网格状结构，再将所述的网格状结构分别用两个平滑的曲面连接起来，即构成透镜的第一面和第二面，而透镜的第一面和第二面之间的连接面为非通光面，其形状可根据透镜的具体安装要求进行设计，从而构成透镜的整体形状。所述光轴经过矩形光斑的中心。所述光轴偏离矩形光斑的中心。本发明技术方案适用于点光源发光系统，点光源的光轴可以垂直于被照面，也可以与被照面形成一任意夹角。将被照面上的矩形照射光斑等分成多个长条小矩形，通过求得每一个小矩形所对应的入射面上的透镜各特征点的位置，将各特征点连成网格状结构，再将所述两个网格状结构分别用两个平滑的曲面连接起来，构成透镜的通光面形状。划分的小矩形的数量以及每一入射面上划分的小角的数量大小，会影响透镜的精度以及光斑接近于标准矩形的精度。当所划分的小矩形和小角的数量足够多，从而确定的特征点的数量足够大时，将各特征点连接而成的网格状结构就更接近于平滑的曲面，这时，构成的透镜形状以及照射的矩形光斑的精度则更高。当光源光轴经过光斑中心时，得到的透镜为对称透·镜；当光源光轴偏离矩形光斑中心时，得到的透镜为不对称的偏光式透镜，该透镜适合道路照明的使用场合。
以下通过附图对本发明设计方法做详细的描述
图I是对矩形光斑划分区域的设计方法示意 图2是在一个小矩形区域所对应的入射面上划分小角的方法示意 图3是在小矩形的边长上划分小段的方法示意 图4是确定透镜在入射面上的各特征点的设计方法示意 图5是将各特征点连接成网格状结构的示意图一；
图6是将各特征点连接成网格状结构的示意图二；
图7是用本发明方法得到的一透镜结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，首先，将矩形光斑沿宽边等分成多个小矩形区域，分别为I、11、111、IV......,其长边分别为11和22,22和33,33和44，......。如图2所示，以小矩形I为起始，过其一个长边11与光源3的平面为第一入射面。在该入射面上，将光源3位于光轴L的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成四个小角α 、α2、α3，α 4，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等。图3所示，将位于第一入射面上的长边11分成四个小段ab，be, cd, de。分别与α , α2, α3, α4一一对应。调整各小段的长度，使其与光源3到该小段上被照点的距离r的平方成反比，并且与所要求的被照点的照度E成正比。如图4所示，以ab段作为起始被照小段，以a点为起始被照点，则该ab段对应的小角为α I。根据透镜第一面I离开光源3的距离要求，在与a点对应的入射光线上取一点la，作为透镜第一面I上的起始特征点，在该特征点处，平行于光源3与被照点a的连线的直线同入射光线形成一夹角β 1，该夹角即为透镜的起始光线偏折角。根据预先设定的比例，将该偏折角β I分成两个部分，第一偏折角β 11和第二偏折角β 12，本实施例取β 11 β 12=1 :1，角分线作为入射光线经过第一面I的起始特征点Ia后的折射线，通过折射定律，确定Ia点的法线nl，垂直于法线nl的直线与所述的光线入射面形成一交线，该交线与小角α I的角边的交点分别为Ia和lb，Ib点即作为第二特征点。在第二被照小段be上，取b点为第二被照点，则b点对应了该第二特征点lb。依照上述的确定第二特征点Ib的方法，依次求得被照点C、d、e所对应的第一面I上的特征点lc、ld、le。根据透镜厚度的要求，在经过第一面I上的起始特征点Ia后的折射线上取一点2a作为第二面2上的起始特征点，以该折射线作为透镜第二面2的入射线，以在该2a点平行于被照点a与光源的连线的直线为透镜第二面2的折射线，该入射线和折射线方向即为图示的第二偏折角β12的两个角边方向，通过折射定律，确定2a点的法线，垂直于法线的直线与所述的光线入射面形成一交线，该交线与第一面I上的第二特征点Ib处的折射光线相交与2b点，2b点即作为第第二面2上的第二特征点。依照上述方法，依次求得第二面2上的特征点2c、2d、2e的位置。前述实施例均是取边缘点a为起始被照点，逐次确定各特征点的位置。当然，也可以另一边缘点e为起始被照点，该e所对应的入射光线即为沿光轴方向的光线，则从对应的起始特征点Ie开始，逐次确定各特征点位置。再以通过小矩形II的长边22和光源3的平面为第二入射面，采用与前述相同的方法将光源3位于光轴L的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成四个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等。将位于第二入射面上的长边22分成与四个小角一一对应的四个小段。采用与前述相同的方法，求得透镜在第二入射面上的第一面的各特征点和第二面的各特征点。以此类推，以通过小矩形III的长边33和光源3的平面为第三入射面，采用与前述相同的方法将光源3位于光轴L的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成四个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等。将位于第三入射面上的长边33分成与四个小角一一对应的四个小段。采用与前述相同的方法，求得透镜在第三入射面上的各特征点和第二面的各特征点。如果等分成的小矩形的数量更多，按照上述方法，依次得到更多个入射面，并依次求得透镜在这些入射面上的第一面各特征点和第二面各特征点。如图5所示，将上述依次求得的每一入射面上的第一面的各特征点和第二面的各特征点依次分别连接成两个网格状结构，再将所述两个网格状结构分别用两个平滑的曲面连接起来，形成透镜第一面I和透镜第二面2，该第一面I和第二面2即为透镜的通光面。图5是当光轴经过光斑中心时，采用本发明设计方法得到的透镜一形状示意图，该透镜呈对称分布。图6是当光轴偏离光斑中心时，采用本发明设计方法得到的偏光式透镜二的形状示意图，所得到的透镜在一个方向上对称，而在垂直于该方向的方向上呈不对称分布。图7是本发明方法的一实施例透镜，由于连接透镜的第一面I和第二面2之间的连接面为非通光面，因此，其形状可根据透镜在实际使用中具体的安装要求或所要求的透镜形状进行灵活的设计，以不影响到通光面的光线的走向为原则。通过大量的实验表明，本发明方法所设计的透镜，其照射光斑呈矩形分布，同时，被照面的照度均匀度也可达到O. 9。
权利要求
1.一种矩形照射光斑的透镜设计方法，设计步骤如下 a)、将矩形光斑沿长边或宽边等分成多个长条小矩形，分别取每一小矩形的同一方向的一长边，并分别以光源和所取的每一边所在的平面为入射面，在每一入射面内，将光源位于光轴的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等； b)、将所述每一入射面上的小矩形的长边划分成多个小段，将所述小段与所述小角依次一一对应，调整各小段的长度使其与光源到该小段上的被照点的距离平方成反比，与该被照点的照度成正比；以所述小段中边缘小段作为起始被照小段，以边缘点为起始被照点，即对应了一个所述小角，根据透镜第一面离开光源的距离要求，在与起始被照点对应的入射光线上取一点作为透镜第一面上的起始特征点，在该点处，平行于光源与起始被照点连线的直线同入射光线形成一夹角，为透镜的起始光线偏折角，根据预定的比例，将所述起始光线偏折角分成第一偏折角和第二偏折角，角分线作为入射光线经过透镜第一面后的折射线，通过折射定律以及对应的所述小角，求出与起始特征点相邻的第二特征点，该第二特征点对应与起始被照点相邻的第二被照点，按照上述相同的步骤，依次求出各个被照点所对应的第一面上的各特征点的位置；在经过所述第一面上的起始特征点后的折射线上，根据透镜厚度要求取一点作为透镜第二面上的起始特征点，采用与求得第一面上的特征点类似的方法，求得第二面上的各特征点的位置； C)、将上述依次求得的所有入射面上的第一面的各特征点和第二面的各特征点分别连成两个网格状结构，再将所述的两个网格状结构分别用两个平滑的曲面连接起来，即构成透镜的第一面和第二面，连接透镜第一面边缘和第二面边缘的连接面为非通光面，其形状可根据透镜的具体安装要求进行设计，从而构成透镜的整体形状。
2.根据权利要求I所述的一种矩形照射光斑的透镜设计方法，其特征在于所述光轴经过矩形光斑的中心。
3.根据权利要求I所述的一种矩形照射光斑的透镜设计方法，其特征在于所述光轴偏离矩形光斑的中心。
全文摘要
本发明公开一种矩形照射光斑的透镜设计方法，首先将矩形光斑等分成多个长条小矩形区域，分别取每一小矩形的同一方向的一长边,以过该长边和光源的平面为入射面，在该入射面上，将光源位于光轴的一侧的发光区域按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等；再将每一入射面上的长边划分成与小角一一对应的多个小段，根据折射定律，依次求得透镜在每一入射面上的第一面和第二面的各特征点，分别将该特征点连成两个网格状结构，再分别将连个网格状结构用两个平滑的曲面连接起来，形成透镜形状。本发明设计方法简单，直观，可根据实际精度要求灵活设计。
文档编号F21V5/04GK102943993SQ20121048388
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者周士康, 韩红梅, 许礼, 夏仰军 申请人:上海三思电子工程有限公司, 上海三思科技发展有限公司, 嘉善三思光电技术有限公司